真空严密性研究

1、直接空冷系统真空严密性研究（1、山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西 大同 037039 ） （2、华北电力大学能源与动力工程学院,，北京 10220）摘要：真空严密性试验是确定凝汽器真空是否泄漏的重要方法，而漏空气是影响直接空冷机组真空的主要因素之一。从理上分析了空冷凝汽器经历的传热和热力学过程，建立了空冷凝汽器真空严密性的数学模型，由此得到了进行严密性试验时背压随试验时间的变化关系，为分析空冷机组真空严密性变化规律提供了依据。以200MW空冷机组数据为例进行了实例计算，对比实际进行真空严密性试验测得的关系曲线，两者基本相似。并由此引出对不同容量的直接空冷机组真空严密性试验标准的探讨，指出

2、不同机组应根据其真空容积和设计漏空气量制定合适的标准。关键词：直接空冷；空冷凝汽器；真空严密性；真空严密性试验；机组热经济性中图分类号：TK264.1Study of Vacuum Tightness for Direct Air-cooled SystemYin hai-yu1 (1.SHANXI DATANG INTERNATIONAL YUNGANG THERMAL POWRE CO.,LTD.,Datong,Shanxi 037039,China)（2.ABSTRACT：The mathematical model of vacuum tightness experiment for

3、condenser of 200MW air-cooled power plant is established. The relation between back-pressure and time of experiment is got through a example. And it is similar with the actual measured data. The standard of vacuum tightness experiment for the direct air-cooled units of different capacities is also d

4、iscussed. This paper point out that the different units should develop an appropriate standard based on its vacuum volume and designed leakage air volume.Key words: direct air-cooled; air-cooled condenser; vacuum tightness; vacuum tightness experiment; thermal economy of unit1. 引言直接空冷机组中凝汽器的一个主要作用是在

5、汽轮机排汽口处建立并维持一定的真空，使蒸汽在汽轮机内膨胀到指定的凝汽压力，以提高汽轮机的可用焓降，将更多的焓降转变为机械功，因此真空值已成为空冷汽轮机经济运行的一个主要指标，而真空严密性是影响汽轮机真空的一个主要因素。若机组真空严密性差，则会有大量空气漏入空冷机组真空系统中，从而降低机组真空。因此真空系统严密性已成为评价空冷电厂节能降耗的一个重要指标。目前空冷电厂是通过做真空严密性试验来检验机组冷端真空严密程度的，沿用湿冷机组的程序。试验时，机组负荷稳定在额定负荷的80%以上，关停真空泵，然后记录凝汽器真空表的真空值，自关停真空泵后30秒起，每隔半分钟记录一次真空值，共记录8分钟，取后5分钟的

6、记录值算得真空的平均下降值。真空严密性的好坏便是通过做此试验得到的真空下降速度来进行评判。若平均每分钟真空下降值越大则说明严密性越差，相反则说明严密性越好。至于不同容量的空冷机组该执行什么样的真空严密性试验标准，现在还没有一个公认的定论。本文通过建立真空严密性试验的数学模型来分析试验时机组真空同试验时间的关系，并借此引出对真空严密性试验标准的探讨。提出不同大小空冷机组制定真空严密性标准该遵循的原则，对此方面的研究有一定的意义。2. 真空严密性试验的数学模型当空冷凝汽器正常运行的情况下，忽略排汽管道的压损，汽轮机的排汽压力就是凝汽器中水蒸汽的凝结压力。而当做真空严密性试验时，抽气的真空泵处于关闭

7、状态，此时汽轮机的排汽压力为水蒸汽的凝结压力和漏入空气自身分压力共同决定。根据道尔顿分压定律，此时机组的背压为两个分压力之和3，即： (1)其中：为凝汽器的总压力；为凝汽器内水蒸气的凝结压力；为凝汽器内的空气分压力。凝汽器内水蒸汽的凝结压力是由凝结温度确定的，由传热单元数法（）可以得到空冷凝汽器内水蒸汽的凝结温度 (2)式中，为空冷凝汽器的散热量，为空气密度，为迎风面风速，为迎风面面积，为空气比热， 为传热单元数，是空冷凝汽器进口温度。其中空冷凝汽器传热单元数可表示为： (3)式中，为空冷凝汽器的传热系数，为空冷凝汽器的传热面积。空冷凝汽器的换热管束为椭圆翅片管，根据传热学定律，在假设翅片管清

8、洁情况下，以翅片管外表面为基准的凝汽器平均传热系数可表示为 (4)式中：、分别为翅片管内的蒸汽凝结换热系数和管外的对流换热系数，为翅片管厚度，为翅片管的管壁的导热系数，、分别为翅片管内外表面积，为翅片总效率。空冷散热器外部为强制对流换热，由于翅片结构千差万别，其对流换热系数往往要通过专门的实验来确定。对于本文所应用的椭圆翅片管束的对流换热系数可参考文献5对国产矩形翅片椭圆管族的放热系数和气流阻力进行实验论证，获得管外对流换热系数经验关系式 (5)式中：为空气导热系数，为管外空气雷诺数，为翅片管当量直径。空冷散热器管内凝结放热系数目前还没有一个普遍公认的公式，通过对现有公式的比较，文献6认为只有

9、当凝汽器内空气开始积聚时，蒸汽的凝结换热系数才会下降，借助于凝汽器内空气的质量份额描述蒸汽侧放热系数比较合理，其公式如下 (6)式中：为空气的质量份额，其值为，其中和分别为凝汽器内空气和蒸汽的质量，为凝汽器单位冷却面积的热负荷，表示为，纯净蒸汽在单个竖直管外凝结放热系数，可根据传热学中努塞尔公式计算 (7)由于饱和蒸汽的温度和压力是一一对应的，所以知道了蒸汽的凝结温度其压力可由水蒸气性质表查得，也可以由经验公式得出： (8)另一方面由于空气的集聚造成的分压力可以用理想气体状态方程求得： (9)式中：为凝汽器的空气漏入量，为做真空严密性试验的时间，为空冷机组的真空系统容积，为空气的气体常数。对于

10、一个确定的空冷凝汽器系统，其各种参数确定以后就可以根据以上各式得到真空严密性试验时背压随时间的变化关系。3.实例计算3.1 原始数据以山西大同云冈热电厂200MW直接空冷机组为例，用以上的数学模型建立其设计工况下真空严密性试验时背压随时间变化的关系。其中设计工况下机组冷端数据如下：表1 云冈电厂200MW机组设计数据项目单位数据项目单位数据空气入口温度16凝汽器总散热面积510894汽轮机排汽压力16设计迎风面面积4351汽轮机排汽量129.05设计迎风面风速2.14汽轮机排汽焓2506.5真空系统容积2500云冈电厂所用的空冷散热器为德国GEA公司提供的椭圆形钢管套矩形翅片，其结构尺寸如下表

11、2 云冈电厂空冷凝汽器散热片尺寸项目单位数据项目单位数据管直径管子排数排2管壁厚度1.5前排翅片间距4翅片尺寸后排翅片间距2.5翅片厚度0.35管子排置错排3.2 计算结果及分析通过以上数据，我们可以依据上节所建立的数学模型得到该空冷机组在设计工况下做真空严密性试验时背压随时间的变化关系如下图(假设空气漏入量为60)。图1 真空严密性试验时背压随时间的变化关系由上图的曲线可以看出，在做真空严密性试验时，汽轮机的排气压力随时间的变化关系有两个不同的阶段。第一阶段前5分时间内，排气压力随时间上升的斜率很大。从机理上来说，这是由于当抽气设备关闭时，真空内的空气无法排出而迅速积聚，且由运动状态变为静止

12、状态，掺混于蒸汽中，致使蒸汽凝结放热系数迅速下降，最终导致散热器的整体换热系数下降，凝汽器散热情况恶化，蒸汽的凝结温度升高，从而蒸汽的凝结压力大幅增加，成为此阶段排气压力升高的主要因素。第二阶段为5分钟以后，排气压力随时间的变化趋于平缓近似成线性关系。这是由于随着空气在蒸汽中含量的增加，蒸汽凝结换热系数下降也趋于平缓甚至几乎不再下降，此时蒸汽的凝结温度变化很小，其凝结压力也就趋于不变，而此时随着空气含量的增加其本身的分压力已经到了不能忽略的地步，即的增量成为此阶段排气压力升高的主要贡献者。综上，做真空严密性试验时，理论上前期背压变化速度较大(非线性)后期趋于平缓变化(线性)。这个结论和许多电厂

13、试验时记录的实测数据变化也是相似的。例如文献8提供的云冈电厂2003年10月所做的一次真空严密性试验数据如图2，由图可以看到实际真空严密性试验时的真空变化和我们由数学模型得到的是相似的。这种现象产生的原因就是在严密性试验时，不同时期和的增量对结果贡献不同而造成的。值得提出的是严密性试验后期压力的升高主要是由于空气分压力升高造成的，当真空系统的体积和排气温度一定时，空气分压力就是漏入空气量的单值函数。电厂做严密性试验的目的就是为了反应空气在真空系统内的集聚速度，因此取试验后期数值进行平均更能达到目的。这也是做严密性试验时要求记录8分钟数据，取后5分钟数据的原因之一。图2 云冈电厂2003年10月

14、份真空严密性试验数据4.真空严密性试验标准现行的湿冷机组真空严密性试验标准根据原水电部颁布标准为小于400Pa/min为合格。它既没有考虑机组形式，也不论机组容量大小，一概沿用此标准。由上部分我们知道在外界环境稳定的情况下，平均每分钟真空下降值反应的是单位时间内空气漏入量。但对于不同形式和容量的机组，同样的平均每分钟真空下降值，其单位时间的空气漏入量是不同的。例如600MW机组其真空体积几乎比300MW机组大一倍，在同样的每分钟真空下降值前提下，600MW机组漏入空气量也几乎比300MW的大一倍。因此真空严密性试验的验收标准应兼顾真空容积9。对于直接空冷机组，由于整个排气系统和散热元件都是焊接

15、的，原则上不允许有泄漏。当直接空冷机组和水冷机组相同时，排气口数量也相同时，其漏入空气量应该是相当的。空冷系统的抽真空设备也是基于此原则配置的。而在容量相同的情况下，直接空冷机组的真空容积约是湿冷机组的34倍，因此在同样的空气漏入量下，由于直接空冷机组真空容积比湿冷机组扩大了34倍，则真空严密性试验时标准自然也要缩小34倍。如果湿冷机组的标准是400Pa/min，那么空冷机组合理的严密性标准就应该是100130 Pa/min。这跟GEA公司提供的严密性试验建议标准100 Pa/min相符合。而在实际操作中，由于试验受到当时环境及安装情况的影响，此标准可适当放宽至200 Pa/min甚至300P

16、a/min。以上是整体对比空冷机组和湿冷机组得出的结果，对于直接空冷机组中不同容量的机组其严密性执行标准也不能以一概全。而应该统筹考虑机组真空容积和其设计漏空气量。下表是3种大型空冷机组的统计表。表3 不同机组真空容积及设计漏气量对比表序号机组容量（MW）真空容积（m3）设计漏空气量（kg/h）160010000左右80125左右23006000左右70左右32003000左右50左右由表中可以看到，不同容量机组其真空容积的增长比例与其设计漏空气量的增长比例并不是一样的。例如600MW机组真空容积约是200MW的3倍多，但600MW机组的设计漏空气量却是200MW的2倍多。也就是说200MW机

17、组的真空容积比600MW机组的缩小了2倍多，但其设计漏气量并没有相应的缩小那么多。根据真空严密性试验后期真空的下降主要是由于漏入空气自身分压增长引起的原理，这样如果以相同的真空严密性试验标准来要求这两种不同容量的机组，那么600MW的机组就容易达标而200MW机组却不容易达标。这也是为什么一些小机组仔细查漏后真空严密性试验结果却仍达不到一些大机组轻而易举达到的标准的原因之一。综上，对于不同容量的机组应根据其所选的抽气设备的工作能力来制定合适的真空严密性标准。若标准定的过于宽松，那么允许漏入真空的空气量就会超过抽气设备的抽吸能力，造成抽气设备的不堪重负和机组经济性的下降；若标准定的过于严格，漏入

18、真空空气量在抽气设备的抽气能力之内，此时如果还投入大量人力物力进行查漏那么又会造成不必要的资源浪费。具体对于一个确定的机组该制定多大的标准，可以通过启动备用真空泵的办法来参考制定。即起动备用真空泵后，若真空值上升的幅度较大那么说明漏入空气量超过了抽气设备能力，此时应积极查漏，直到起动备用真空泵后，真空值上升幅度很小或几乎不上升。此时再做真空严密性试验所得到的真空下降速度即可定为该机组的参考标准。5结论5.1建立了空冷凝汽器真空严密性数学模型，由此得到了进行严密性试验时背压随试验时间的变化关系，为分析空冷机组真空严密性变化规律提供了理论依据。5.2以200MW空冷机组为例，对其真空严密性试验规律进行了分析。结果说明，进行真空严密性试验时理论上前期背压升高较快，后期变化平稳，取后5分钟数据计算真空下降速度更